トランジスタフォトカプラ。フォトカプラの設計と動作原理

フォトカプラ (別名オプトカプラとも呼ばれます) は、電気信号を光に変換し、光チャネルを介して送信し、信号を電気に再変換するように設計された電子デバイスです。フォトカプラの設計は、特殊な発光体の存在を暗示します ( 最新のデバイスこの目的のために、発光ダイオードが使用されます。以前のモデルには小型の白熱灯が搭載されており、受信した光信号を変換するデバイス（光検出器）が搭載されていました。これらのコンポーネントは両方とも、光チャネルと共通のハウジングを使用して結合されます。

フォトカプラの種類の分類

フォトカプラのモデルに応じていくつかの特性があり、いくつかのグループに分類できます。

統合の程度に応じて次のようになります。

基本フォトカプラ - 共通のハウジングによって結合された 2 つ以上の要素が含まれています。
オプトカプラ集積回路 - 設計は 1 つ以上のオプトカプラで構成され、さらに相補的な要素 (アンプなど) を装備することもできます。

光チャネルのタイプに応じて次のようになります。

オープン型光チャネル。
閉じた光チャネル。

光検出器のタイプに応じて次のようになります。

フォトレジスタ（または単に抵抗フォトカプラ）。
フォトダイオードフォトカプラ;
フォトトランジスタ（従来型または複合バイポーラフォトトランジスタを使用）フォトカプラ。
、またはフォトトライアックフォトカプラ。
光起電力発電機（太陽電池）を使用して動作するフォトカプラ。

後者のタイプのデバイスの設計には電界効果トランジスタが追加されることが多く、同じジェネレーターがゲートの制御を担当します。

フォトトライアックフォトカプラまたは電界効果トランジスタを搭載したものは、「オプトリレー」または「」と呼ばれることがあります。

図1: フォトカプラデバイス

光電子デバイスは、次の 2 種類の方向のどちらに属するかに応じて動作が異なります。

電気光学式。

この装置の動作は、光エネルギーが電気エネルギーに変換される原理に基づいています。さらに、遷移は固体とその中で起こる内部光電効果プロセス（光子の影響下での物質による電子の放出で表される）および電場の影響下でのグロー効果を通じて実行されます。

光学式。

このデバイスは、レーザー、ホログラフィック、光化学デバイスを使用するだけでなく、固体と電磁放射線の微妙な相互作用を通じて動作します。

フォトニック電子コンピュータは、次の 2 つのカテゴリの光学素子のいずれかを使用して組み立てられます。

フォトカプラ;
量子光学素子。

これらは、それぞれ電子光学方向と光方向のデバイスのモデルです。

フォトカプラが信号を直線的に送信するかどうかは、設計に組み込まれた光検出器の特性によって決まります。抵抗フォトカプラでは、最大の伝送直線性が期待できます。その結果、そのようなデバイスを操作するプロセスが最も便利になります。 1 つ下のモデルは、フォトダイオードと単一のバイポーラトランジスタを備えたモデルです。

確実に仕事をするためにパルスデバイスフォトカプラはバイポーラで使用されます。または電界効果トランジスタ線形信号伝送の必要がないためです。

最後に、フォトサイリスタフォトカプラが取り付けられ、デバイスのガルバニック絶縁と安全な動作が保証されます。

応用

フォトカプラの使用が必要な分野は数多くあります。この応用範囲の広さは、それらが多くの異なる特性を持つ要素であり、それぞれの特性に個別の応用分野があるという事実によるものです。

機械的衝撃の固定（オープンタイプの光チャネルを備えたデバイスが使用され、これを閉じる（機械的衝撃を与える）ことができます。つまり、デバイス自体をセンサーとして使用できます）：
- 存在検出器（プリンタ内の用紙の有無を検出）。
- 終点（始点）点検出器。
- カウンター;
- 個別のスピードメーター。
ガルバニック絶縁 (フォトカプラを使用すると、電圧に関係のない信号の送信が可能になります。また、非接触の制御と保護も提供します)。これは次の方法で実現できます。
- フォトカプラ (ほとんどの場合、情報送信機として使用されます)。
- オプトリレー (信号および電源回路の制御に最も適しています)。

フォトカプラ

信号回路または制御電流が低い回路でガルバニック絶縁を提供する必要がある場合、トランジスタまたは集積フォトカプラの使用が特に重要です。制御要素の役割は、3 電極半導体デバイス、離散信号を制御する回路、および特別に特化した回路によって実行できます。

図2: フォトカプラ 5000 Vrms 50mA。

フォトカプラのパラメータと動作特性

デバイスの正確な設計に基づいて、その耐電圧を決定できます。この用語は、入力回路と出力回路の間に発生する電圧の値を指します。したがって、ガルバニック絶縁を提供するフォトカプラのメーカーは、さまざまなハウジングを備えた多数のモデルを実証しています。

SSOP;
ミニフラットリード。

ハウジングのタイプに応じて、フォトカプラは 1 つまたは別の絶縁電圧を生成します。絶縁破壊を引き起こすのに十分な電圧レベルが十分に高い状態を作り出すには、次の部品が互いに十分に離れて配置されるようにフォトカプラを設計する必要があります。

および光学式レコーダー。
ケースの内側と外側。

場合によっては、以下に従って製造された特殊なグループのフォトカプラを見つけることができます。国際規格安全。これらのモデルの耐電圧レベルは一桁高くなります。

トランジスタフォトカプラのもう 1 つの重要なパラメータは、「電流伝達係数」と呼ばれます。この係数の値に応じて、デバイスはいずれかのカテゴリに分類され、モデル名に反映されます。

フォトカプラの低い動作周波数のレベルに関する制限はありません。フォトカプラは直流回路で適切に機能します。そして、デジタル起源の信号の送信に関与するこれらのデバイスの動作周波数の上限は、数百メガヘルツで計算されます。リニアタイプのフォトカプラの場合、この数値は数十メガヘルツに制限されます。白熱灯などの最も遅い設計では、10 Hz に達しない周波数で動作する低周波フィルターが最も一般的な役割を果たします。

トランジスタフォトカプラとそれが発生するノイズ

トランジスタペアの動作にノイズの影響が伴う主な理由は 2 つあります。

最初の理由を克服するには、特別な画面をインストールする必要があります。 2 つ目は、動作モードを正しく選択することで排除されます。

オプトリレー

ソリッドステートリレーとも呼ばれる光リレーは、通常、大きな制御電流で回路の動作を調整するために使用されます。ここでの制御要素の役割は通常、背中合わせに接続された 2 つの MOSFET トランジスタによって実行され、この構成により交流条件での動作が保証されます。

図 3: オプトリレー KR293 KP2V

光リレーの種類の分類

オプトリレーには 3 種類のトポロジが定義されています。

ノーマルオープン制御回路は、制御電圧が光ダイオードの端子に印加された場合にのみ閉じると想定されています。
通常閉制御回路は、制御電圧が光ダイオードの端子に印加された場合にのみ開くと想定されています。
スイッチング 3 番目のトポロジには、常閉チャネルと常開チャネルの組み合わせが含まれます。

フォトリレーは、フォトカプラと同様に、耐電圧特性を持っています。

光リレーの種類

標準タイプモデル。
低抵抗モデル。
CxR が低いモデル。
低バイアス電圧モデル。
高絶縁耐圧モデル。

光リレーの応用分野

モデム;
測定装置;
アクチュエータとのインターフェース。
自動電話交換機。
電気、熱、ガスメーター。
信号スイッチ。

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フォトカプラとは

オプトカプラは光電子デバイスであり、その主な機能部品は光源と光検出器であり、互いに電気的に接続されておらず、共通の密閉ハウジング内に配置されています。フォトカプラの動作原理は、供給された電気信号が送信側で発光し、光の形で信号が光検出器によって受信され、受信側で電気信号が開始されるという事実に基づいています。つまり、電子部品内では光通信により信号が送受信される。

フォトカプラ - 最も単純な品種フォトカプラ。投光部と受光部のみで構成されています。より複雑なタイプのフォトカプラは、1 つまたは複数の整合デバイスまたは増幅デバイスに接続された複数のフォトカプラを含む光電子マイクロ回路です。

したがって、フォトカプラは電子部品光子は電気的に中性であることが知られているため、信号源とその受信器の間にガルバニック接続を行わずに回路内で光信号伝送を実現します。

フォトカプラの構造と特徴

オプトカプラは、近赤外線および可視領域で感度の高い光検出器を使用します。これは、スペクトルのこの部分は、冷却せずに光検出器として動作できる強力な放射線源によって特徴付けられるためです。シリコンをベースとした p-n 接合 (ダイオードおよびトランジスタ) を備えた光検出器は汎用的であり、その最大スペクトル感度の領域は 0.8 ミクロン近くです。

フォトカプラは主に電流伝達係数 CTR、つまり入力信号電流と出力信号電流の比によって特徴付けられます。次のパラメータは信号伝送速度で、本質的にはフォトカプラのカットオフ周波数 fc で、伝送パルスの立ち上がり時間 tr とカットオフ時間 tf に関連付けられます。最後に、ガルバニック絶縁の観点からフォトカプラを特徴付けるパラメータ: 絶縁抵抗 Riso、最大電圧 Viso、および通過容量 Cf。

フォトカプラの構造に含まれる入力デバイスは、最適な条件エミッタ（LED）の動作により、動作点を電流電圧特性の線形領域にシフトします。

入力デバイスは十分な速度と幅広い入力電流を備えており、低い（しきい値）電流でも信頼性の高い情報伝送を保証します。光学媒体はハウジング内に配置されており、光はそこを通ってエミッターから光検出器に伝送されます。

制御された光チャネルを備えたフォトカプラには、電気的または磁気的手段を使用して光媒体の特性に影響を与えることができる追加の制御デバイスがあります。光検出器側では信号が復元され、光信号から電気信号に迅速に変換されます。

光検出器側の出力デバイス (回路に含まれるフォトトランジスタなど) は、信号を標準の電気形式に変換するように設計されており、フォトカプラに続くブロックでのさらなる処理に便利です。フォトカプラには入出力デバイスが含まれていないことが多いため、特定のデバイスの回路で通常の動作を実現するには外部回路が必要です。

フォトカプラの応用

フォトカプラは、低電圧回路と高電圧回路があり、制御回路が電源回路から切り離されている、強力なトライアックやサイリスタの制御、リレー回路など、さまざまな機器のユニットに広く使用されています。

変調および自動利得制御の無線工学回路では、ダイオード、トランジスタ、および抵抗フォトカプラが使用されます。光チャネルを介した露光により、回路は非接触で調整され、最適な動作モードになります。

フォトカプラは非常に多用途であるため、単にガルバニック絶縁および非接触制御の要素としてであっても、非常に多様な業界で使用されており、すべてをリストすることは不可能なほど多くの独自の機能に使用されています。

ここではそのほんの一部を紹介します。コンピューター技術、通信技術、オートメーション、無線機器、自動制御システム、測定器、制御および規制システム、医療機器、視覚表示装置など。

フォトカプラの利点

フォトカプラの応用プリント基板高電圧および低電圧、入力および出力回路の絶縁に対する抵抗要件が非常に高い場合に、理想的なガルバニック絶縁を実現できます。一般的な PC817 フォトカプラの送信回路と受信回路間の電圧は、たとえば 5000 V です。さらに、光絶縁のおかげで、1 pF 程度の極めて低いスループット静電容量が達成されます。

フォトカプラの助けを借りて、非接触制御を非常に簡単に実装しながら、直接制御回路に関する独自の設計ソリューションの余地を維持します。ここで、受信者から発信者への反応がまったくないこと、つまり情報が一方向に送信されることも重要です。

フォトカプラの最も広い帯域幅により、低周波による制限が排除されます。光の助けを借りて、一定の信号またはパルス信号を非常に急峻なエッジで送信できますが、これはパルストランスを使用して達成することは基本的に不可能です。フォトカプラ内の通信チャネルは電磁場の影響をまったく受けないため、信号は干渉や干渉から保護されます。最後に、フォトカプラは他の電子コンポーネントと完全な互換性があります。

オプトカプラは、光放射のソースとレシーバを含む光電子半導体デバイスであり、これらは光学的かつ構造的に相互接続されており、電気信号と光信号のさまざまな機能変換を実行するように設計されています。

放射線源には、白熱灯、ガス放電ランプ、半導体エミッター、LED などがあります。集積光電子回路では、光放射源は注入 LED であり、これにより高性能フォトカプラが提供されます。光検出器には、フォトレジスタ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトサイリスタなどがあります。 1 つの構造要素内で LED とこれらの光検出器の 1 つを組み合わせることで、抵抗、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなど、異なる特性を持つ多数のフォトカプラを作成することが可能になりました (図 5.19)。放射線源と光検出器の間の接続リンクは、光ガイドの機能を実行する受動的または能動的な光学媒体です。

図8.18。フォトカプラの種類: 抵抗 (a)、ダイオード (b)、トランジスタ (c)、サイリスタ (d)、

フォトカプラの動作原理は二重エネルギー変換に基づいています。放射線源では、電気信号のエネルギーが光放射線に変換され、光検出器では、光信号が電気信号（電流または電圧）に変換されます。フォトカプラは、電気入力信号と出力信号を備えたデバイスです。

ライトガイドは、入出力回路のガルバニック絶縁 (絶縁抵抗は 10 12 ... 10 14 オームに達する可能性があり、通信容量は 10 -2 pF) と放射線源から光検出器への一方向信号伝送を提供します。光通信回線では一般的です。

フォトカプラの利点は次のとおりです。

1. 入力と出力間の電気接続、および光検出器と放射線源間のフィードバックの欠如。

2. 電気振動の広帯域幅。0 ～ 10 14 Hz の周波数範囲で信号を送信できます。

3. 光チャネルの高いノイズ耐性。これは、外部電磁場の影響に対する光子の耐性によるものです。

4. さまざまな電気通信デバイスのマイクロ回路とフォトカプラを組み合わせるのが容易。

フォトカプラは次のように使用されます。

a) デジタルおよび電気的絶縁要素パルスデバイス、アナログデバイスも同様です。

b) さまざまな自動化システムにおける高電圧電源の非接触制御。

c) 強力なパルスの生成と切り替え、およびセンサーと測定装置やユニットの接続のためのキー。

抵抗フォトカプラは最も多用途です。これらはアナログおよびキーデバイスで使用でき、広範囲の抵抗変化(消灯状態で数十から数百MOhm、点灯状態で数百Ω)、および低周波数範囲を備えています。抵抗フォトカプラでは、広い光学範囲で動作する LED がエミッタとして使用されます。エネルギーパラメータを取得するには、スペクトル特性に関してエミッターとレシーバーを一致させる必要があります。

抵抗フォトカプラは、入力および出力回路の次のパラメータによって表されます。

1. 最大入力電流 Iin。 max は、平均入力または DC 電流の最大値です。

2. 入力電圧 Uin は、動作入力電流でエミッタの入力端子に印加される一定または実効電圧です。

3. 出力スイッチング電流 I out。 com は、負荷によって制御される定格出力電流です。

4. 最大出力電流は、抵抗フォトカプラが長時間動作する電流値です。

5. 最大出力スイッチング電圧は、フォトカプラの出力における最大電圧値です。

6. フォトカプラ出力での最大電力損失により、デバイスの長期動作が保証されます。

7. 出力暗耐性と出力明耐性。

8. フォトカプラの入力と出力間のパススルー容量 C pr -。

9. 絶縁抵抗 R from はフォトカプラの入力と出力間の抵抗です。

10. 最大絶縁電圧は、光学容器の入出力間に印加される製品の強度と信頼性を維持できる最大の電圧です。

抵抗フォトカプラの例としては、OEP-16、OEP-1、OEP-2、OEP-9 があります。

ダイオードフォトカプラはスイッチとして使用され、10 6 ... 10 7 Hz の周波数で電流を切り替えることができます。暗所の抵抗は 10 8 ... 10 10 オームに達し、照らされると数百オームに減少します。入力回路と出力回路間の抵抗は 10 13 ... 10 15 オームです。赤外放射領域で動作する LED はダイオードフォトカプラのエミッタとして使用され、シリコンフォトダイオードは光検出器として使用されます。 LEDは約1μmの波長で最大の分光特性を持ちます。

ダイオードフォトカプラは、入力および出力回路の次のパラメータによって表されます。

1. U in - 入力電圧は、LED を流れる所定の入力電流で決まります。

2.入力します。 max は、フォトカプラの長期にわたる信頼性の高い動作が保証される直流またはパルス電流の最大値です。

3.Uインチ。ああ。 max はフォトカプラの入力に印加される最大入力逆電圧で、これによりフォトカプラの長期にわたる信頼性の高い動作が保証されます。

4. I t - 入力がない場合のフォトダイオードの出力 (熱) 電流 (フォトフロー)。

5. 出ました。 obr - 休みの日逆電流所定の出力電圧、入力電流なしの場合。

6. アウト。最大。 rev - フォトダイオードが長期間確実に動作する出力回路の最大逆電圧。

7. t nr - 出力電圧の振幅が 0.1 から 0.5 U out に変化する出力信号の立ち上がり時間。マックス;

8. t sp - 出力信号の減衰時間。この期間中、出力電圧は最大値の 0.9 から 0.5 に減少します。

ダイオードフォトカプラの例としては、AOD101A...AOD101D、AOD107、ZOD107A などがあります。

トランジスタフォトカプラはダイオードフォトカプラよりも感度が高くなります。速度は10 5 Hzを超えません。トランジスタフォトカプラには放射波長約1μmのLEDを使用し、光検出器にはn-p-n型シリコンフォトトランジスタを使用しています。

光放射がない場合、フォトトランジスタのコレクタ回路には常に小さな逆電流（暗電流）が流れ、その大きさは温度に大きく依存します。暗電流を減らすために、約 0.1 ～ 1.0 M オームの外部抵抗がベース端子とエミッタ端子の間に接続されます。

トランジスタフォトカプラは、入力回路と出力回路のパラメータによって記述されます。ダイオードとトランジスタのフォトカプラではほぼ同じ LED が使用されていることを考慮すると、トランジスタフォトカプラの入力パラメータはダイオードフォトカプラの入力パラメータと同じです。

トランジスタフォトカプラは、出力回路の次のパラメータによって表されます。

1. Urest - フォトトランジスタが開いているときのフォトカプラの出力の残留出力電圧。

2. I ut.out - フォトトランジスタが閉じているときに出力回路に流れる電流 (漏れ電流)。

3.平均P max - フォトカプラが長期にわたって信頼性の高い動作を維持できる平均最大消費電力。

4. 出ました。 max - 信頼性の高い動作中のフォトトランジスタの最大出力電流。

5. t nr - 出力電圧が最大値の 0.9 から 0.1 に変化する出力信号の立ち上がり時間。

6. t sp - 出力電圧が最大値の 0.1 から 0.9 まで増加する出力電圧減衰時間。

7. t オン - オン時間は、入力信号が印加された瞬間から入力信号が 0.1 U 入力に達する瞬間までの時間です。最大。または、これは出力電圧が 0.1 U out のレベルに到達するまでの時間 - t sp です。最大。

8. t オフ - オフ時間は、入力信号が最大 0.9 U 入力まで減少する時間です。または t nr - 出力電圧が最大 0.9 U 出力まで上昇する時間です。

9. 最大絶縁電圧 U from - 入力と出力の間に印加でき、フォトカプラの絶縁耐力が維持される電圧。

トランジスタフォトカプラの例: AOT123A、ZOT123B、AOT110(A、B、C)、ZOT123A、AOT123T など。

サイリスタフォトカプラは、強力なパルスを生成およびスイッチングするための主要なモードで使用されます。サイリスタフォトカプラのエミッタは LED で、レシーバはシリコンフォトサイリスタです。 LEDの照射が止まってもフォトサイリスタは点灯し続けます。この点に関して、LED からの制御光信号は、サイリスタのロックを解除するのに必要な時間だけ供給できます。これらすべてにより、フォトサイリスタフォトカプラの制御に必要なエネルギーを削減することができます。フォトサイリスタをオフにするには、外部電圧を取り除く必要があります。これらすべてが、サイリスタフォトカプラとトランジスタフォトカプラを区別します。サイリスタフォトカプラは、次のパラメータで表されます。

1. ターンオン電流 I on (入力応答電流 I input、トリガ) - フォトカプラの一定の順電流。指定された入力モードでフォトカプラをオープン状態に移行します。

2. パルススイッチング電流 I on。これは、フォトカプラをオープン状態にする、特定の持続時間の入力電流パルスの振幅です。

3. U in - 所定の入力スイッチング電流における LED 入力の入力電圧。

4.入力～入力 DC導かれた;

5.入りました。私 - 入り口パルス電流フォトカプラ;

6. 出ました。クローズ - クローズ状態での出力電流。フォトサイリスタが閉じていて特定のモードにあるときに出力回路に流れます。

7. 終了します。 return - フォトサイリスタが閉じているときに流れる出力逆電流。

8. U ost - オープンフォトサイリスタの出力電圧。

9. 終了します。 ud - 保持電流 - オープン状態のフォトサイリスタの最小電流。

10. U 出力最小 - 所定の入力信号でフォトカプラがオンになるフォトサイリスタの最小一定出力電圧。

11. U 出力 obr - 指定された信頼性が保証される最大出力電圧。

12. t オン - オン時間は、レベル 0.5 の入力電流パルスと最大値のレベル 0.9 の出力電流の間の時間間隔です。

13. t off - ターンオフ時間は、出力電流が終了した瞬間から次の出力電流が開始する瞬間までの時間であり、その影響下でフォトサイリスタはオープン状態に切り替わりません。

14. C out - 閉状態のサイリスタフォトカプラの出力における出力容量。

サイリスタフォトカプラの例: AOU103A、ZOU103A、AOU103V、ZOU103B。

オプトカプラは、光源と放射線受信器 (発光体と光検出器) があり、それらの間の 1 つまたは別のタイプの光学的および電気的接続が構造的に接続されている光電子デバイスです。

動作原理あらゆる種類のフォトカプラは以下に基づいています。エミッターでは電気信号のエネルギーが光に変換され、逆に光検出器では光信号が電気的応答を引き起こします。

実際には、エミッタから光検出器へ直接光接続を行うフォトカプラのみが普及しており、原則として、これらの要素間のあらゆるタイプの電気通信は排除されています。

構造図の複雑さの度合いに応じて、フォトカプラ製品は 2 つのグループのデバイスに区別されます。フォトカプラ (「要素オプトカプラ」とも呼ばれる) は、発光素子と受光素子で構成される光電子半導体デバイスであり、それらの間には光接続があり、電気絶縁入力と出力の間。光電子集積回路は、1 つまたは複数の光カプラと、それらに電気的に接続された 1 つまたは複数の整合デバイスまたは増幅デバイスで構成される超小型回路です。

したがって、電子回路では、このようなデバイスは通信要素の機能を実行し、同時に入力と出力の電気的（ガルバニック）絶縁が実行されます。

図のブロック図では、 1 つの入力デバイスは、エミッタの動作モードを最適化し (たとえば、LED をワットアンペア特性の線形セクションにバイアスする)、外部信号を変換 (増幅) するために使用されます。入力ブロックには次のものが必要です高効率変換、高速、許容入力電流の広いダイナミックレンジ（リニアシステムの場合）、「しきい値」入力電流の低い値により、回路を介した情報の信頼性の高い伝送が保証されます。

図 1. フォトカプラの一般化されたブロック図

光学媒体の目的は、光信号のエネルギーをエミッタから光検出器に伝達することと、多くの場合、構造の機械的完全性を確保することです。

基本的なコントロール性光学特性たとえば、電気光学効果または磁気光学効果の使用による環境は、回路への制御デバイスの導入によって反映されます。この場合、「」とは機能的に異なる、制御された光チャネルを備えたフォトカプラが得られます。従来の「フォトカプラ」：出力信号は入力回路と制御回路の両方で変更できます。

光検出器では、情報信号が光から電気に「復元」されます。同時に彼らは高感度そして高いパフォーマンス。

最後に、出力デバイスは、光検出器の信号を、フォトカプラ以降のカスケードに影響を与えるのに便利な標準形式に変換するように設計されています。二重変換後の損失は非常に大きいため、出力デバイスのほぼ必須の機能は信号増幅です。多くの場合、増幅機能は光検出器自体 (フォトトランジスタなど) によって実行されます。

電気図およびフォトレジスタ (a)、フォトダイオード (b)、およびフォトサイリスタ (c) を備えたフォトカプラの出力特性: 1 - 半導体発光ダイオード。 2 - フォトレジスタ; 3 - フォトダイオード。 4-フォトサイリスタ; Uそして私- フォトカプラの出力回路の電圧と電流。破線の曲線はフォトカプラの入力回路に電流が存在しないことに対応し、実線の曲線は2つの異なる入力電流値に対応します。

1. 導入。 2

1.1. 基本的な定義。 2

1.2. 特徴的な機能フォトカプラ。 2

1.3. 一般化されたブロック図。 3

1.4. 応用。 4

1.5. 話。 5

2. フォトカプラ技術の物理的基礎。 6

2.1. フォトカプラの素子ベースと設計。 6

2.2. ダイオードフォトカプラにおけるエネルギー変換の物理。 7

3. フォトカプラおよびオプトエレクトロニクスのパラメータと特性 集積回路。 13

3.1. フォトカプラ製品のパラメータの分類。 13

3.2. ダイオードフォトカプラ。 14

3.3. トランジスタおよびサイリスタフォトカプラ。 15

3.4. 抵抗フォトカプラ。 15

3.5. 差動フォトカプラ。 15

3.6. 光電子マイクロ回路。 16

4. フォトカプラおよびフォトカプラ超小型回路の応用分野。 16

4.1. 情報の転送。 17

4.2. 情報の受信と表示。 18

4.3. 電気プロセスの制御。 18

4.4. 電気機械製品の交換。 19

4.5. エネルギー機能。 19

5. 文学。 19

1. はじめに

1.1 基本的な定義。

どのタイプのフォトカプラの動作原理も以下に基づいています。エミッターでは電気信号のエネルギーが光に変換され、逆に光検出器では光信号が電気的応答を引き起こします。

構造図の複雑さの度合いに応じて、フォトカプラ製品は 2 つのグループのデバイスに区別されます。オプトカプラ (「要素オプトカプラ」とも呼ばれる) は、発光素子と受光素子で構成される光電子半導体デバイスであり、それらの間には入力と出力間の電気的絶縁を提供する光接続があります。光電子集積回路は、1 つまたは複数の光カプラと、それらに電気的に接続された 1 つまたは複数の整合デバイスまたは増幅デバイスで構成される超小型回路です。

したがって、電子回路では、そのようなデバイスは通信要素の機能を実行し、同時に入力と出力の電気的（ガルバニック）絶縁が実行されます。

1.2 フォトカプラの特徴

これらのデバイスの利点は、電気的に中性の光子を使用して情報を転送するという一般的な光電子原理に基づいています。主なものは次のとおりです。

入力と出力の間に理想的な電気（ガルバニック）絶縁を提供する可能性。フォトカプラの場合、任意に実現するための基本的な物理的制限や設計上の制限はありません。高電圧デカップリング抵抗と任意の小さなスループット容量。

電子オブジェクトの非接触光学制御を実装する機能と、その結果として得られる制御回路の設計ソリューションの多様性と柔軟性。

光チャネルに沿った情報の一方向伝播。受信機から送信機へのフィードバックはありません。

フォトカプラの広い周波数帯域幅、低周波（典型的な周波数）からの制限なしパルストランス); フォトカプラ回路を介してパルス信号と定数成分の両方を送信する機能。

光チャネルの材料に（非電気的なものも含めて）影響を与えることによってフォトカプラの出力信号を制御する機能と、その結果として得られるさまざまなセンサーや、情報を送信するためのさまざまなデバイスを作成できる可能性。

光検出器を備えた機能的なマイクロ電子デバイスを作成する能力。光が当たると、その特性は複雑な所定の法則に従って変化します。

電磁場の影響に対する光通信チャネルの耐性。「長い」フォトカプラ（エミッタとレシーバの間に延長された光ファイバライトガイドを備えたもの）の場合、光通信チャネルは干渉や情報漏洩から保護され、また、電磁場の影響も排除されます。相互干渉。

他の半導体およびマイクロ電子デバイスとの物理的、設計的および技術的互換性。

フォトカプラには次のような欠点もあります。

二重のエネルギー変換（電気 - 光 - 電気）の必要性と、これらの変換の効率の低さによる大幅な電力消費。

高温および貫通核放射線の影響に対するパラメータおよび特性の感度の向上。

多かれ少なかれ顕著なパラメータの一時的な劣化（劣化）。

比較的ハイレベル自己ノイズ。前の 2 つの欠点と同様に、LED の物理的特性によって引き起こされます。

入力回路と出力回路の電気的絶縁によって引き起こされるフィードバックの実装の複雑さ。

ハイブリッド非平面技術の使用に関連する構造的および技術的欠陥 (1 つのデバイス内の異なる平面に配置された異なる半導体からのいくつかの個別の結晶を組み合わせる必要がある)。

フォトカプラの列挙された欠点は、材料、技術、回路設計が改善されるにつれて部分的に解消されますが、それでも、長期にわたってかなり基本的な性質を持ち続けるでしょう。しかし、その利点は非常に高いため、フォトカプラは他のマイクロ電子デバイス間で確実に競合しないことが保証されます。

1.3 一般化されたブロック図 (図 1.1)。

図1.1。フォトカプラの一般化されたブロック図。

結合素子としてのフォトカプラは、その伝達係数によって特徴付けられます。キ、出力信号と入力信号の比率、および最大情報転送速度によって決定されます。 F。ほとんど代わりに F送信パルスの立ち上がりと立ち下がりの継続時間を測定します トゥナール(sp)またはカットオフ周波数。ガルバニック絶縁要素としてのフォトカプラの機能は、次のような特徴があります。最大電圧およびデカップリング抵抗 U開発そして R開発およびパススルー容量 C開発 .

構造図では図 1.1 では、入力デバイスはエミッターの動作モードを最適化し (たとえば、LED をワットアンペア特性の線形セクションにバイアスする)、外部信号を変換 (増幅) するために使用されます。入力ユニットは、高い変換効率、高速性、許容入力電流 (リニアシステムの場合) の広いダイナミックレンジ、および回路を介した情報の信頼性の高い伝送を保証する低い値の「しきい値」入力電流を備えている必要があります。

光学媒体の目的は、光信号のエネルギーをエミッタから光検出器に伝達することと、多くの場合、構造の機械的完全性を確保することです。

たとえば、電気光学効果や磁気光学効果を使用して媒体の光学特性を制御する基本的な可能性は、回路に制御デバイスを導入することによって反映されます。この場合、制御されたフォトカプラが得られます。

光チャネルは、「従来の」フォトカプラとは機能的に異なります。出力信号は、入力と制御回路の両方を介して変更できます。

光検出器では、情報信号が光から電気に「復元」されます。同時に高感度、高速性も追求しています。

図の全体ブロック図。 1.1 は、特定のデバイスごとに一部のブロックのみで実装されます。これに従って、フォトカプラデバイスには 3 つの主要なグループがあります。以前は、発光体 - 光学媒体 - 光検出器ブロックを使用したフォトカプラ (基本フォトカプラ) と呼ばれていました。光電子（オプトカプラ）超小型回路（出力デバイス、場合によっては入力デバイスを追加したオプトカプラ）。特殊なタイプのフォトカプラ - 基本的なフォトカプラや光電子 IC とは機能的および構造的に大きく異なるデバイス

実際のフォトカプラは、図の回路よりも複雑になる場合があります。 1.1; これらのブロックのそれぞれには、電気的および光学的に接続された同一または類似の要素が 1 つではなく複数含まれている場合がありますが、これはフォトカプラの物理学および電子工学の基本を大きく変えるものではありません。

1.4 アプリケーション。

ガルバニック絶縁の要素として、フォトカプラは次の目的で使用されます。大きな電位差がある機器ユニットを接続するために使用されます。保護のために入力回路測定器干渉と干渉から。等

フォトカプラのもう 1 つの重要な応用分野は、大電流および高電圧回路の光学的非接触制御です。打ち上げ強力なサイリスタ、トライアック、トライアック、電気機械リレー装置の制御